分析微电网环境中多个电源转换系统的并联运行

引言

微电网作为本地电力来源的快速发展，尤其是在新能源行业的背景下，使得开发复杂的电力转换系统 (PCS) 成为必要。这些系统对于确保微电网环境中电力供应的可靠性、效率和安全性至关重要。PCS 负责将电能从一种形式转换为另一种形式以及管理微电网和主电网之间的电力交换这一关键功能。本文深入研究了 PCS 功能的实验分析，重点关注并网和离网切换控制、与电网的同步以及非线性负载和谐波的管理。还将仔细研究多个 PCS 单元的并行运行及其对微电网环境中各种运行场景的集体响应。

并网离网切换控制

在并网（电网连接）和离网（隔离）模式之间切换的能力是电力转换系统的一个重要功能。此功能可确保微电网在必要时（例如在主电网故障期间）独立运行，并在其他情况下与主电网保持同步以实现正常运行。

主动离网切换

主动离网切换涉及从连接到主电网到独立运行的无缝过渡。此过程要求 PCS 快速识别电网故障并切换到离网模式，而不会对负载造成重大中断。通过频率和幅度检测方法的组合，可以快速准确地检测电网异常。为了成功过渡，切换时间必须最短，以减少对电能质量的影响并防止对连接的负载造成中断。过渡过程如图 1 所示，该图描绘了主动模式切换事件期间相电压和电流的波形。

被动离网切换

与主动切换不同，被动离网切换是通过检测电网连接点的持续电压波动来启动的。如果电压在几个连续的采样点下降或上升超过预定阈值，则表明主电网断开或发生故障。然后，PCS 自动转换为离网模式并发送信号以隔离主电网开关，从而实现被动离网操作。图 2 显示了从电网连接到离网被动模式的转换的波形图。

同步并网切换控制

从离网状态切换回并网模式需要精确同步，以确保微电网的电压、频率和相位与主电网的电压、频率和相位一致。这对于防止可能损坏 PCS 和其他连接设备的大电流浪涌至关重要。实现同步的主要方法有两种：

被动同步：此方法使用保护装置来促进电网连接。在切换过程中，PCS 从电压/频率控制模式转换为恒定功率控制模式。采用锁相环跟踪控制在重新连接之前将 PCS 的输出电压与电网电压对齐。图 3 描述了使用保护装置的同步，其中说明了离网到并网的切换波形。

自动同步：此方式不依赖外部同步保护装置，PCS通过监测电网侧电压自主确定同步点，当控制系统发出同步指令后，PCS启动相位跟踪，同步完成后发出闭合电网连接开关指令，完成自动同步过程。图4详细显示了自动同步控制过程。

具有非线性负载和谐波抑制的离网运行

在离网模式下，PCS 通常必须管理大型非线性负载，这会导致严重的电压失真。当 PCS 用作微电网的主要电源时，通常使用 V/f 控制模式。然而，如果没有适当的控制措施，这会导致输出电压和电流失真，尤其是在使用基于整流器的电气设备而没有谐波控制的情况下。图 4 和图 5 分别比较了未采用和采用谐波抑制方法时，PCS 在非线性负载下运行的输出电压波形。

离网切换负载和黑启动控制

PCS 还必须处理在切换电感元件（例如电抗器）时发生的动态负载。图 7 显示了这些转换期间的负载波形。此外，PCS 在黑启动条件下起着至关重要的作用，在这种情况下，微电网必须在没有主电网支持的情况下重新启动。图 10 说明了成功黑启动所需的负载削减过程，展示了直流输出电压和 PCS 输出电压的波形。

多机并联运行

多个并联运行的 PCS 单元的协调对于微电网的稳定性和可靠性至关重要。图 11 展示了两个 50kW PCS 单元和一个 100kW PCS 单元在不同负载条件下的并联运行。该图说明了当一个 PCS 断开然后重新连接时如何管理功率共享和电压稳定。此外，图 12 展示了引入电阻和电机负载时并联系统的稳定性，突出了对电流和电压波动的影响最小。

结论

微电网环境中多个电源转换系统的并行运行带来了各种挑战，需要针对并网和离网运行制定全面的控制策略。这些模式之间的平稳高效转换对于保持电源完整性和最大限度地减少中断至关重要。有效管理非线性负载、谐波缓解和 PCS 单元同步是需要先进技术和控制算法的关键任务。本文讨论的这些系统的实验分析为微电网管理的复杂性以及 PCS 在不断发展的新能源行业格局中的关键作用提供了宝贵的见解。